醫(yī)學近代儀器分析 第七章核磁共振波譜法

核磁共振波譜法(NMR)核磁共振法基本原理化學位移偶合常數(shù)譜線強度核磁共振氫譜解析示例核磁共振法在醫(yī)藥中應用核磁共振法技術進展1.核磁共振波譜法基本原理1.1核磁共振法(NMR):具有自旋現(xiàn)象的原子核(磁性核)—外磁場—能階分裂—無線電波照射—h

=

E—原子核吸收能量(共振吸收)—低能態(tài)躍遷至高能態(tài)—以共振信號強度對照射頻率(磁場強度)作圖—核磁共振波譜—結構解析定性定量的分析方法.

氫譜(1H-NMR)碳譜(13C-NMR)1.2核磁共振儀磁鐵:產生均勻穩(wěn)定足夠強度的磁場.照射頻率發(fā)生器:產生照射無線電波(60cm-300m),通過照射線圈作用于樣品.信號接受器:接收核磁共振時產生的感應電流,接收線圈環(huán)繞樣品管.掃描發(fā)生器:Helmholtz線圈是掃描線圈,通直流電來調節(jié)磁場強度.樣品管:插入磁場中,并保持勻速旋轉.1.3原子核的自旋自旋量子數(shù)I:

I=0無自旋現(xiàn)象；

I

0有自旋現(xiàn)象。1.3.1自旋的分類:A質量數(shù)Z原子序數(shù)I自旋量子數(shù)NMR原子核偶偶0無6C12、8O16偶奇1有1H2、7N14奇偶?，3/2有6C13奇奇?，3/2有1H11.3.2核磁矩(

)核磁矩:

自旋核周圍有磁場,因此有磁矩.核磁矩方向:

服從右手定則,同自旋軸.核磁矩大小:

=P

-磁旋比

P-自旋角動量自旋核在外磁場中核磁矩(自旋軸)取向(空間量子化)及核磁能級:

共有(2I+1)個取向,以磁量子數(shù)m表示每一種取向.

m=I,I-1,I-2,…,-I+1,-I例如:1H1

I=1/22I+1=2

m=I=+1/2m=I-1=-1/2空間量子化:自旋核在外磁場中—核磁距相對外磁場相互作用—核磁距相對外磁場有不同的排列方式(取向)—取向不是任意的—具有量子化特征.1.4原子核的共振吸收1.4.1原子核的進動:

在外磁場中的原子核,由于核磁矩與外磁場成一定角度,原子核除自旋外,還可繞外磁場方向回旋運動,這種自旋軸的回旋稱為Larmor進動.

Larmor方程:

=/2·Ho

-進動頻率

-旋磁比

Ho-

外磁場強度1.4.2核磁共振吸收的條件:

(1)

o=(電磁波頻率=進動頻率)

Eo=

E(電磁波能量=能級差)

h

o=

h·/2·Ho

o=/2·Ho

(2)

m=±1(躍遷只能發(fā)生在兩個相鄰能級之間)

1H1

I=1/2

m=+1/2m=-1/2

2.1.1局部抗磁屏蔽效應:

氫核周圍有電子—電子繞核旋轉—產生電子環(huán)流(誘導環(huán)流)—在外磁場作用下—產生感生磁場—其方向與外磁場相反—使氫核實受磁場稍有下降.H=Ho-

Ho=Ho(1-

)-屏蔽常數(shù)

H-實受磁場

=/2·(1-

)HoHo-外加磁場2.化學位移偶合常數(shù)譜線強度2.1化學位移結論

=/2·(1-

)Ho

(1)Ho一定(掃頻)—大—小—峰出現(xiàn)在低頻(右端).(2)

o一定(掃場)—大—Ho大—峰出現(xiàn)在高場(右端).(3)核磁共振譜的右端相當?shù)皖l高場;左端相當高頻低場.2.1.2化學位移核周圍化學環(huán)境不同,使核磁共振頻率發(fā)生位移的現(xiàn)象.

例如,苯丙酮的-C6H5,-CH2,-CH3峰位及面積不同.C6H5CH2CH3TMS低場10874320高場 ppm(

)高頻低頻

2.1.3化學位移的表示方法化學位移:表征在NMR中,各個不同化學環(huán)境的1H1共振頻率相對位置的數(shù)量,用

表示.表示方法:

Ho固定:

=(樣品-標準)/標準×106(ppm)

o固定:

=(H標準-H樣品)

/H標準×106(ppm)標準物質:TMS(四甲基硅烷)NMR橫坐標:

(0~10ppm)

2.1.4化學位移的影響因素(1)電子效應(相鄰基團或原子的電負性):氫核相鄰基團的電負性強—吸電子能力強—核外電子云密度小—屏蔽作用小—

增大.例1:CH3-CH2Cl例2:HHR–C–OHR–C–CH2OHRRAB

:CH2>CH3

:A>B

質子在分子中所處的空間位置不同,所受的屏蔽作用不同的效應，尤指化學鍵產生的影響。(2)磁各向異性效應(遠程屏蔽效應):例1.苯環(huán)上的氫—負屏蔽區(qū)—

大(低場,左)=7.27例2.乙烯上的氫—負屏蔽區(qū)—

大(低場,左)=5.25例3.乙炔上的氫—正屏蔽區(qū)—小(高場,右)=2.88若次級(感應)磁場與外磁場方向相反:正屏蔽區(qū)—高場—

減小;若次級(感應)磁場與外磁場方向相同:負屏蔽區(qū)—低場—

增大.

2.2自旋偶合

2.2.1峰的裂分現(xiàn)象

1:3:3:11:2:1

氯乙烷CH3CH2Cl

:CH3<CH2

-CH2-CH3

2.2.2幾個基本概念自旋偶合: